Моделирование номограмм прогрева стальных конструкций с огнезащитными покрытиями различной толщины (на воде)

Введение. Стальные конструкции при высокотемпературном воздействии деформируются, теряют устойчивость и несущую способность, в результате чего происходит обрушение конструкций с последующим обрушением здания. Известно, что для увеличения пределов огнестойкости стальных конструкций до R 90 и R 120 часто используют вспучивающиеся краски. Но огнезащитная эффективность вспучивающихся красок при длительной эксплуатации недостаточно изучена, и применение такого вида огнезащитной обработки для несущих стальных конструкций требует обоснования. Для обеспечения устойчивости здания с требуемым пределом огнестойкости конструкций актуальным является изучение технологических факторов, влияющих на огнестойкость стальных конструкций со вспучивающимися красками на водной основе.

Цель работы. Разработка подходов к моделированию номограмм прогрева стальных конструкций с огнезащитными покрытиями различной толщины на водной основе. Были решены следующие задачи:

• построены блок-схемы исследования для получения фундаментальных взаимосвязей динамики изменения структуры огнезащитного материала при тепловом воздействии на предел огнестойкости строительной конструкции на основе выбора функционального критерия;
• разработаны математические модели зависимости толщины сухого слоя огнезащитных материалов от требуемого предела огнестойкости и теплофизических характеристик огнезащитных материалов на основании экспериментальных исследований свойств и эффективности огнезащитных материалов;
• построены номограммы зависимостей толщины сухого слоя огнезащитных материалов от огнезащитной эффективности огнезащитных материалов на водной основе.

Методы исследования. Для анализа теплофизических характеристик огнезащитных материалов использовали анализатор термических констант Hot Disk TPS 1500. С помощью термического анализа производилось исследование свойств огнезащитных материалов, а также происходящих в них физико-химических преобразований при программированном воздействии температуры и с применением специализированной аппаратуры термического анализа. Изучение эффективности средств огнезащиты для стальных конструкций проводилось в соответствии с ГОСТ Р 53295–2009 «Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности».

Результаты и их обсуждение. В результате исследований был разработан подход к прогнозированию огнестойкости строительных конструкций в виде построения блок-схемы исследования, на основании которой производится выбор функциональных критериев. На основе получения экспериментальных исследований возможно построение математических зависимостей огнестойкости от показателей, которые являются функциональными критериями. В частности, при оценке огнестойкости стальных конструкций проводится прогнозирование на основе теплофизических показателей. В работе впервые предложено введение функции огнезащитного материала в стандартный расчет огнестойкости при решении статической и теплофизической задач. На основе полученных данных приведены уравнения зависимости толщины сухого слоя огнезащитного материала от требуемого предела огнестойкости конструкции и номограмма прогрева защищенных стальных конструкций с огнезащитными покрытиями различной толщины.

Выводы. По итогам проведенных исследований получены фундаментальные взаимосвязи динамики изменения структуры огнезащитного материала при тепловом воздействии на предел огнестойкости строительной конструкции на основе выбора функционального критерия. На основании экспериментальных исследований свойств и эффективности огнезащитных материалов разработана математическая модель зависимости толщины сухого слоя огнезащитных материалов от требуемого предела огнестойкости и теплофизических характеристик огнезащитных материалов.

1. Теличенко В.И., Ройтман В.М. Обеспечение стойкости зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара — базовый элемент системы комплексной безопасности // Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации : мат. 1­го Национального конгрес са «Комплексная безопасность в строительстве 2010», 18–21 мая 2010 г., Москва, ВВЦ. Вып. 9. М., 2010. С. 15–29.

2. Ройтман В.М., Приступюк Д.Н. Особенности оценки стойкости зданий и сооружений из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2010. Т. 19. № 7. С. 29–38. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15188713

3. Wang Y., Goransson U., Holmstedt G., Omrane A. A model for prediction of temperature in steel structure protected by intumescent coating, based on tests in the cone calorimeter // Fire Safety Science. 2005. Vol. 8. Pp. 235–246. DOI: 10.3801/IAFSS.FSS.8­235

4. CMD (Construction Market Data). The market for fire protection of steel frames total market (beams and columns) by Types of Fire Protection, Great Britain, 2001–2014. URL: http://www.cmdgroup.com_February_2015.

5. Голованов В.И., Кузнецова Е.В. Эффективные средства огнезащиты для стальных и железо бетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 9. С. 82–90. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24229215

6. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Павлов В.В. Оценка огнезащитной эффективности покрытий для стальных конструкций // Пожарная безопасность. 2020. № 4. С. 43–54. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2020.101.4.004

7. Ушанов В.В., Фадеев В.Е., Харитонов В.С., Щелкунов В.И., Павловский А.В., Косачев А.А. Огнестойкость и пожарная опасность сэндвич­ панелей и предложения по внесению изменений в нормативные правовые акты по пожарной безопасности в части их применения в зданиях и сооружениях различного функционального назначения // Пожарная безопасность. 2016. № 4. С. 119–122. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=27521504

8. Фадеев В.Е. Совершенствование современных методов испытаний на огнестойкость на основе внедрения гармонизированных европейских стандартов // Актуальные проблемы пожарной безопасности : мат. XXVIII Междунар. науч.­практ. конф. М. : ВНИИПО, 2016. Ч. 1. С. 305–309. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=28817893

9. Шаталин С.С., Варламов A.B., Зыбина O.A., Мнацаканов С.С. О связующих в огнезащитных вспучивающихся композициях // Дизайн. Материалы. Технология. 2014. № 4 (34). С. 37–40.

10. Завьялов Д.Е., Зыбина О.А., Митрофанов В.В., Мнацаканов С.С. Сравнительное изучение поведения фосфатов аммония в огнезащитных вспучивающихся композициях // Журнал прикладной химии. 2012. Т. 85. Вып. 1. С. 157–159. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43912070

11. Завьялов Д.Е., Нечаев К.В., Зыбина O.A., Бабкин О.Э., Мнацаканов С.С. Реакции в огнезащитных вспучивающихся красках в присутствии углеродных нанотел // Лакок расочные материалы и их применение. 2012. № 10. С. 38–39. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=20274080

12. Завьялов Д.Е., Зыбина O.A., Мнацаканов С.С., Чернова Н.С., Варламов A.C. Огнезащитные вспучивающиеся композиции на основе интеркалированного графита // Химическая промышленность. 2009. Т. 86. № 8. С. 414–417.

13. Gillet M., Autrique L., Perez L. Mathematical model for intumescent coatings growth: application to fire retardant systems evaluation // Journal of Physics D: Applied Physics. 2007. Vol. 40. Issue 3. Pp. 883–899. DOI: 10.1088/0022­3727/40/3/030

14. Бабкин О.Э., Зыбина O.A., Танклевский Л.T., Мнацаканов С.С. Диагностика качества нанесения и эффективности коксообразующих огнезащитных покрытий для металлоконструкций // Промышленные покрытия. 2014. № 7–8. С. 50–54.

15. Зыбина O.A., Бабкин О.Э., Танклевский Л.Т., Мнацаканов С.С. Формирование интумесцентного слоя при термолизе органофосфат аммонийных огнезащитных покрытий // Мир гальваники. 2014. № 5. С. 56–58.

16. Yuan J. Intumescent coating performance on steel structures under realistic fire conditions : Doctor of Philosophy thesis, School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, University of Manchester, 2009.

17. Dowling J. Fire protection costs for structural steelwork. New Steel Construction. UK, 2003.

18. Sorathia U., Gracik T., Ness J., Durkin A., Williams F., Hunstad M., Berry F. Evaluation of intumescent coatings for shipboard fire protection // Journal of Fire Sciences. 2003. Vol. 21. Issue 6. Pp. 423–450. DOI: 10.1177/0734904103035393

19. Perez L., Autrique L., Pechoux F. Modelling and experimental testing of intumescent coatings under high thermal flux for military applications // Fire Safety Science. 2014.

20. Roberts T., Shirvill L., Waterton W., Buckland I. Fire resistance of passive fire protection coatings after long­term weathering // Process Safety and Environmental Protection. 2010. Vol. 88. Issue 1. Pp. 1–19. DOI: 10.1016/j.psep.2009.09.003

21. Kandola B.S., Akonda M.H., Horrocks A.R. Use of highperformance fibres and intumescents as char promoters in glassreinforced polyester composites // Polymer Degradation and Stability. 2005. Vol. 88. Issue 1. Pp. 123–129. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2004.01.030

22. Jimenez M., Duquesne S., Bourbigot S. Characterization of the performance of an intumescent fire protective coating // Surface and Coating Technology. 2006. Vol. 201. Issue 3–4. Pp. 979–987. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2006.01.026

23. Andersen J. Experimental study of the thermal resistance of intumescent coatings exposed to different heating rates : Master of Science thesis, Civil Engineering Department, Technical University of Denmark, Copenhagen, Denmark, 2015.

24. Li G.Q., Lou G.B., Zhang C., Wang L., Wang Y. Assess the fire resistance of intumescent coatings by equivalent constant thermal resistance // Fire Technology. 2012. Vol. 48. Issue 2. Pp. 529–546. DOI: 10.1007/s10694­011­0243­8

25. Omrane A., Wang Y.C., Goransson U., Holmstedt G., Alden M. Intumescent coating surface temperature measurement in a cone calorimeter using laser­induced phosphorescence // Fire Safety Journal. Vol. 42. Issue 1. Pp. 68–74. DOI: 10.1016/j.firesaf.2006.08.006

26. Bartholomai M., Schriever R., Schartel B. Influence of external heat flux and coating thickness on the thermal insulation properties of two different intumescent coatings using cone calorimeter and numerical analysis // Journal of Fire Materials. 2003. Vol. 27. Pp. 151–162.

27. Zhang Y., Wang Y., Bailey C.G., Taylor A.P. Global modelling of fire protection performance of intumescent coating under different cone calorimeter heating conditions // Fire Safety Journal. 2012. Vol. 50. Pp. 51–62. DOI: 10.1016/j.firesaf.2012.02.004

28. Зыбина O.A., Варламов A.B., Чернова Н.С., Мнацаканов С.С. О роли и превращениях компон ентов огнезащитных вспучивающихся лакокрасочных композиций в процессе термолиза // Журнал прикладной химии. 2009. Вып. 82. № 4. С. 1445–1449. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44519592

29. Wang L., Dong Y., Zhang D., Zhang C. Experimental study of heat transfer in intumescent coatings exposed to non­standard furnace curves // Fire Technology. 2015. Vol. 51. Issue 3. Pp. 627–643. DOI: 10.1007/s10694­015­0460­7

30. Головина Е.В. Методика оценки термостойкости огнезащитных составов интумесцентного типа для объектов нефтегазовой отрасли : дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург, 2019. 130 с.

31. Оценка огнезащитных свойств покрытий в зависимости от сроков их эксплуатаци : методика. М. : ВНИИПО, 2014. 31 с.